JP4661551B2 - 三次元形状造形物製造装置 - Google Patents

Description

本発明は粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成するとともにこの焼結層を積層することで所望の三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物製造装置に関するものである。

無機質あるいは有機質の粉末材料から三次元形状造形物を製造するにあたり、ステージ上に形成した粉末層に光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザ）を照射して焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することで焼結層を形成するということを繰り返して焼結層を積層することで三次元形状造形物を製造するとともに、焼結層の積層で三次元形状造形物を製造する途中に、焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を漸次行うことが特開２００２−１１５００４公報（特許文献１）に示されている。

上記製造法で三次元形状造形物を製造するには、造形用のステージが設けられた造形部及びこの造形部に粉末を供給して粉末層を形成するための粉末供給部、造形部に対して光ビームを照射するための光学機器、仕上げ加工のための加工機が必要であるが、これらを有機的に結び合わせた状態で造形物を製造することから、従来の製造装置は、造形部と粉末供給部を有するとともに光学機器が付設されている造形機内に専用の加工機を設置したものとなっていた。

この場合、装置全体が専用構成ということになるために、どうしてもコストが高くなり、製造する三次元形状造形物の値段も高くなる。
特開２００２−１１５００４公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、低コストの三次元形状造形物製造装置を提供することを課題とするものである。

しかして本発明に係る三次元形状造形物製造装置は、造形用のステージが設けられた造形部及びこの造形部に粉末を供給して粉末層を形成するための粉末供給部とを有する造形機、上記造形部に対して光ビームを照射して粉末層の所定箇所の粉末を焼結させるための光学機器、焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を少なくとも造形途中に行う加工機で構成された三次元形状造形物製造装置であって、上記加工機は少なくとも３軸制御可能な汎用の数値制御工作機械であり、上記造形機は上記加工機におけるテーブル上にセットされ、上記光学機器は上記加工機における主軸台に着脱自在に取り付けられていることに特徴を有している。汎用の数値制御工作機械を利用できるようにしたものであり、殊に加工機における主軸台に着脱自在に取り付けているために、焼結させるための光ビームのスポット径の調整を主軸台の移動によって行ったりすることができるようにしたものである。

上記光学機器と前記主軸台との間に振動吸収材を介在させることも好ましい。

上記造形機は加工機におけるテーブル上に着脱自在に取り付けられていることが好ましい。加工機を他の用途にも使うことを簡便に行うことができる。

造形機は不活性雰囲気下の焼結を可能とする密閉構造であり且つ加工機による加工時用に開閉自在な蓋を備えていることが、焼結時の雰囲気の確保による安定した焼結を得られると同時に、仕上げ加工を問題なく行うことができるものとなる点で好ましい。

また、光学機器は光ビームを発する発振部とスキャン用の光学系ユニットとが分離しているとともに両者が光ファイバーで接続されたものであると、配置の自由度が高くなるとともに、発振部を振動の影響を受けることがない場所に設置することができるものとなる。

本発明は、汎用の数値制御工作機械を利用できるために、装置コストを低減することができ、これ故に製造した三次元形状造形物のコストも低減することができる。また、加工機における主軸台に着脱自在に取り付けているために、焼結させるための光ビームのスポット径の調整を主軸台の移動によって行ったりすることができる。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示す三次元形状造形物製造装置は、造形用のステージ１１が設けられた造形部１０及びこの造形部１０に粉末を供給して粉末層を形成するための粉末供給部１３とを有する造形機１、造形部１０に対して光ビームを照射するための光学機器２、仕上げ加工のための加工機３で構成されているのは従来と同じであるが、ここにおける加工機３はテーブル（マシニングテーブル）３０と少なくとも３軸制御が可能な主軸台３１とを備える汎用の数値制御工作機械であり、そのスピンドルヘッド３２には仕上げ加工のためのエンドミル３３がセットされている。そして上記造形機１はテーブル３０上にセットされ、上記光学機器２は主軸台３１にセットされたものとなっている。

図２はここで用いている造形機１の一例を示しており、密閉可能な筐体１８内に造形部１０と粉末供給部１３とを納めたものとして構成されている。上記造形部１０は上下に昇降させることができるステージ１１を備え、また粉末供給部１３は粉末を納めた粉末タンク１４と該粉末タンク１４内に上下に昇降自在に配された昇降テーブル１５、粉末タンク１４内の粉末を造形部１０側に供給するとともに均すスキージング用ブレード１６からなるものとして形成されている。また上記筐体１８内には余剰粉末回収部１７が設けられている。

さらに上記筐体１８はその上面が図３に示すようにシリンダーやソレノイド等の駆動機構４０にて開閉される蓋１９を備えているとともに、該蓋１９には上記光学機器２から出力される光ビームを透過させる窓１９０が設けられている。図中１８０は蓋１９の部分の密閉用のパッキンである。なお、光ビームがＹＡＧレーザである場合には上記窓１９０に透明ガラスを用いればよいが、炭酸ガスレーザであるばあいには、ＺｎＳｅからなるものを用いる。

上記粉末供給部１３は、造形タンク１４内で上昇する昇降テーブル１５で押し上げられた粉末の最上部の粉末をブレード１６が造形部１０側へとスライド移動することで造形部１０側に供給するものであり、また上記ブレード１６で造形部１０上の粉末を均すことで所定厚みの粉末層を造形部１０に形成する。

主軸台３１の側面に取り付けられた光学機器２は、レーザー発振器から出力されたレーザーをビーム形状補正手段及びガルバノミラー等のスキャン光学系を介して投射して、上記窓１９０を通じて造形部１０における粉末層に照射する。上記光学系には使用するレーザの波長に応じたものを用いるのはもちろんである。

このものにおける三次元形状造形物の製造は、蓋１９を閉めて密閉した筐体１８内に不活性ガス（窒素）を満たした状態で、ステージ１１上面に粉末タンク１４から溢れさせた粉末をブレード１６で供給すると同時にブレード１６で均すことで第１層目の粉末層を形成し、図１(b)に示すように造形部１０の上方に位置させた光学機器２からのレーザーＬを上記粉末層の硬化させたい箇所に照射して粉末を焼結させて焼結層５を形成する。

この後、ステージ１１を所定量だけ下げて再度粉末を供給してブレード１６で均すことで第１層目の粉末層（と焼結層）の上に第２層目の粉末層を形成し、この第２層目の粉末層の硬化させたい箇所にレーザーＬを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層５と一体化した焼結層５を形成する。

ステージ１１を下降させて新たな粉末層を形成し、レーザーを照射して所要箇所を焼結層とする工程を繰り返すことで、焼結層５の積層物として目的とする三次元形状造形物を製造するものであり、光ビームとしては炭酸ガスレーザーを好適に用いることができ、粉末層の厚みとしては、得られた三次元形状造形物を成形用金型などに利用する場合、０．０５ｍｍ程度とするのが好ましい。

光ビームの照射経路（ハッチング経路）は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（粉末層の厚みを０．０５ｍｍとした場合、０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、三次元形状造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射を行い、内部は低密度となるように焼結させることで、つまりは形状モデルデータを予め、表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件で光ビームを照射することで、緻密な表面を持つ造形物を高速に得ることができる。

そして、上記粉末層を形成しては光ビームを照射して焼結層５を形成することを繰り返していくのであるが、焼結層５の全厚みがたとえば加工機３におけるエンドミル３３の工具長さなどから求めた所要の値になれば、図１(a)に示すようにエンドミル３３を造形部１０の上方に位置させるとともに前記蓋１９を開き、エンドミル３３によってそれまでに造形した造形物の表面（主として上部側面）を切削する。たとえば、エンドミル３３の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層の厚みが０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層５を形成した時点でエンドミル３３を作動させる。

この加工機３による切削仕上げ加工により、造形物表面に付着した粉末による余剰硬化部を除去すると同時に、高密度部まで削り込むことで、造形物表面に高密度部を全面的に露出させることができる。この加工が終了すれば、蓋１９を閉めて筐体１８内に不活性ガスを満たし、再度粉末層の形成と焼結とを繰り返す。

加工機３による切削加工経路は、レーザーＬの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Ｚ方向（上下方向）ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はＺ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。

図４に上記工程のフローチャートを、図５(a)(b)に図４中の焼結準備工程及び切削準備工程のフローチャートを示す。

ここにおいて、加工機３は前述のように汎用の数値工作機械であり、これに造形機１及び光学機器２を付加したものとして構成されているために、数値工作機械を既に所有している場合は、ハード的には造形機１と光学機器２を導入するだけでよいものであり、また数値工作機械も新たに導入するとしても、テーブル３０上にボルトナット等の固定具３９で固定された造形機１を取り外せばそれだけで加工機３を他のものの製造にも利用することができるために、やはりコスト的に有利となる。このために造形機１はテーブル３０上に簡便に着脱できるようにしておくことが望ましい。

また、光学機器２を主軸台３１に取り付けた図示例のものでは、光学機器２を上下方向に動かすことができるために、レーザーＬの加工面でのスポット径を調整することができる。

光学機器２を主軸台３１に取り付けるにあたっては、簡便に着脱が行えるようにしておくことも好ましい。図６はこの場合の一例を示しており、テーパ型の誘い込み部を有する連結部５１，５２を主軸台３１と光学機器２側とに設けて、爪５３でチャッキングすることで光学機器２の取り付けを行えるようにしている。電磁力を利用した固定でもよい。どのような連結手段を用いるにせよ、振動吸収シート等の振動吸収材５４を光学機器２と主軸台３１との間に介在させておくことが好ましい。

また、図７に示すように、主軸台３１のスピンドルヘッド３２における工具固定用のコレットチャックを利用して光学機器２を工具（エンドミル３３）に代えて取り付けられるようにしておいてもよい。レーザー照射時と加工時とで主軸台３１をほぼ同じ位置においておくことができ、主軸台３１側面に工学機器２を装着する場合に比して主軸３１の全移動範囲を小さくすることができ、相対的に大きい造形物を製造することができる。

図８に他例を示す。これはテーブル３０（もしくはベース）上にアクチュエータによるＸＹ駆動の可動テーブル３５を備えた加工機３において、その可動テーブル３５上に造形機１を設置するとともに加工機３から立設した支柱上に光学機器２を配したものであり、この場合における主軸台３１は可動テーブル３５側がＸＹの２軸についての自由度を有するために、上下軸方向にのみ可動となっているものであってもよい。

そしてレーザーＬによる焼結時には可動テーブル３５によって図８(b)に示すように、光学機器２の下方側に造形機１の造形部１０を移動させ、加工時には主軸台３１の直下に造形部１０を移動させる。

このものではレーザスキャン座標系と加工機３における切削座標系とを整合させる必要があることから、両座標系の軸方向及び造形機１の移動軸方向を合わせておくことが好ましい。また、上記座標軸合わせを簡単にするために、光学機器２の配置位置を微小調整するための精密テーブル（ＸＹＺ及びＺ軸回りの回転ができるものが好ましい）を介して光学機器２をセットしておいてもよい。

光学機器２が図９に示すように造形機１における筐体１８に取り付けられていてもよい。この場合、加工機３による加工時に光学機器２が邪魔になることがないように、光学機器２は造形部１０の直上位置からスライド移動もしくは図１０に示すように回転移動して退去させることができるようにしておく。図１０の５６は光学機器２の回転移動のための回転軸、５７は不活性ガス充填口である。

なお、図示例では可動テーブル３５上に光学機器２付きの造形機１をセットしているが、図１に示したテーブル３０上に光学機器２付き造形機１をセットしたものであってもよいのはもちろんである。

更に、光学機器２は図１１に示すようにそのレーザー発振器２１とスキャン光学系の光学系ユニット２２とが分離されて両者が光ファイバー２３で接続されているものであってもよい。この場合、光学機器２における造形部１０の上方に配置すべき部分を光学系ユニット２２のみとし、レーザー発振器２１は他の箇所に設置することができるために、図９，図１０に示したもののように、加工機３による加工時に光学機器２を退去移動させなくてならないものにおいて、移動させなくてはならない距離を小さくすることができる。なお、上記光ファイバー２３には前記窓１９０と同様に、使用するレーザーの種類に応じて適切な材質からなるものを用いる。

(a)(b)は共に本発明の実施の形態の一例の概略断面図である。 (a)(b)は同上の造形機の概略断面図と蓋を外した状態の平面図である。 同上の造形機における蓋の開閉構造を示す概略断面図である。 同上のフローチャートである。 (a)(b)は同上の焼結準備工程及び切削準備工程のフローチャートである。 (a)(b)は光学機器取り付け部の概略断面図と拡大断面図である。 (a)(b)は他例の概略断面図である。 (a)(b)は他の実施の形態の一例の概略断面図である。 (a)(b)は別の実施の形態の一例の概略断面図である。 (a)(b)は同上の他例の概略断面図である。 同上の光学機器の他例のブロック図である。

符号の説明

１ 造形機
２ 光学機器
３ 加工機

Claims (5)

1. 造形用のステージが設けられた造形部及びこの造形部に粉末を供給して粉末層を形成するための粉末供給部とを有する造形機、上記造形部に対して光ビームを照射して粉末層の所定箇所の粉末を焼結させるための光学機器、焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を少なくとも造形途中に行う加工機で構成された三次元形状造形物製造装置であって、上記加工機は少なくとも３軸制御可能な汎用の数値制御工作機械であり、上記造形機は上記加工機におけるテーブル上にセットされ、上記光学機器は上記加工機における主軸台に着脱自在に取り付けられていることを特徴とする三次元形状造形物製造装置。
2. 前記光学機器と前記主軸台との間に振動吸収材を介在させていることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物製造装置。
3. 造形機は加工機におけるテーブル上に着脱自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の三次元形状造形物製造装置。
4. 造形機は不活性雰囲気下の焼結を可能とする密閉構造であり且つ加工機による加工時用に開閉自在な蓋を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物製造装置。
5. 光学機器は光ビームを発する発振部とスキャン用の光学系ユニットとが分離しているとともに両者が光ファイバーで接続されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物製造装置。

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